专业论文 | 超长混凝土结构收缩应力仿真分析

某大型综合体地下三层，采用筏板基础，为明显超长的混凝土结构。为确保地下结构抗裂性能，有必要模拟成型收缩过程，对其组合应力进行计算分析。选定工况建立结构模型，按通常施工顺序与分段用时，考虑混凝土成型收缩与弹性模量增长变化规律，对混凝土成型收缩过程进行时程分析。

地下室平面长约580m，宽约108m。地上裙房长约530m，宽约80m，上部分布有6座塔楼。地下结构混凝土强度等级：基础、梁板以及地下室外墙为C35，柱为C50。整体基础沿平面两个主轴方向设13条温度后浇带，宽度统一为1000mm。

采用软件进行了混凝土收缩时程分析。分时段模拟结构浇筑成型步骤、先后浇筑的相邻混凝土之间变形差的相对约束作用、各部位构件的实际内力增加过程，考虑后浇带的位置与构造、考虑后浇带贯通钢筋的影响、考虑塔楼对裙房约束作用。

在结构组合应力分析中，混凝土终极收缩变形近似取0.00035，混凝土线膨胀系数为1.0×10-5/℃，混凝土弹性模量取GB 50010-2010规范标准值。混凝土成型收缩变形规律按GB 50010-2010规范附录K的条文说明确定。混凝土成型收缩、弹性模量与龄期关系的关系曲线如下。

楼板、混凝土墙体采用壳单元，梁柱结构采用梁单元。壳单元采用最大单元尺寸为1.5m网格的有限元模型。后浇带钢筋采用连接单元模拟。

经过分析，可以得到楼板、梁、墙体等的应力分布。

为验证有限元计算结果的准确性，将计算结果与现场开裂情况进行对比分析。根据现场实测的地下三层板裂缝分布，各区域均有裂缝开展，大部分裂缝方向为南北方向，即裂缝沿结构短边方向开展。同时超长结构中部区域裂缝密度较大。符合地下三层板X方向的最大应力图的情况。

第一，对超长混凝土结构进行组合应力弹塑性时程分析，作为设计中抗裂验算的补充，可真实模拟结构中各部位拉应力的叠加变化过程。

第二，与现有弹性分析相比，本文方法的不确定成分少，计算仿真程度更高，分析结果更接近实际。

第三，结构中混凝土的成型收缩受到约束，必然使结构局部出现拉应力，可促使裂缝出现或裂缝宽度增大，此时结构抗裂计算若仅考虑荷载作用，可能使最大裂缝宽度的计算值明显小于实际值，使得正常使用极限状态的结构设计不准确。

第四，因结构超长及后浇带钢筋按照设计文件要求未截断造成各层平面局部拉应力均发生大于C35混凝土标准抗拉强度ftk＝2.20MPa的情况，局部应力大于3ftk，平面局部最大裂缝宽度大于0.20mm，不满足抗裂设计要求。

第五，关于超长混凝土结构，目前设计与施工控制裂缝的常用措施主要基于概念、定性判断及部分工程经验，无法根据整体结构的组合拉应力分布规律预测各项措施的综合效果，其可靠性不能完全满足工程需求。当超长混凝土结构的构造与受力较复杂时，这些现有常用抗裂措施的不确定性与盲目性更加明显。